Barrera con plasma: ¿el futuro del PLA en bebidas carbonatadas?

Gracias a sus propiedades únicas, como un bajo peso, su facilidad de procesamiento y conformación, los plásticos siguen ganando terreno en la industria del empaque. Particularmente en el área de empaques para bebidas, y concretamente en aplicaciones de bebidas gaseosas, el PET ha sido tradicionalmente el plástico de mayor aceptación, gracias a sus excelentes propiedades mecánicas y de barrera, y a su atractiva apariencia cristalina.

Sin embargo, por su posibilidad de mejorar el perfil económico y ecológico del envase, existen dos materiales que se perfilan como alternativas al PET. Por un lado, el polipropileno (PP) ofrece ventajas muy atractivas, ya que es más económico y menos denso. Esto último significa que se puede tener una botella de paredes más gruesas y, sin embargo, tener el mismo peso que en una aplicación de PET. Otra ventaja del PP frente al PET es su capacidad para mantener su forma a altas temperaturas. Por eso se puede usar directamente para llenado en caliente o para aplicaciones que requieren de esterilización.

De otro lado el ácido-poliláctico (PLA) es un polímero que viene ganando terreno en las aplicaciones de empaques para bebidas. El motivo principal es que es un material de fuentes renovables y que es biodegradable. El PLA tiene un pronóstico de crecimiento de 20 a 25% anual, una cifra nada despreciable.

La limitante que tienen el PP y el PLA es su capacidad de barrera a medios gaseosos o fluidos. Es por eso que su crecimiento en reemplazo de PET está condicionado al desarrollo de tecnologías que permitan mejorar su permeabilidad.

En general, la permeabilidad de materiales plásticos es inferior a la de otros materiales de empaque, como vidrio o aluminio, y esto tiene que ver con su estructura molecular. Cada polímero tiene una estructura molecular diferente, y esto explica que su permeabilidad a medios gaseosos sea también diferente. En comparación con el PET, el PLA tiene una permeabilidad cinco veces superior al oxígeno y diez veces superior al CO₂. EL PP, por su parte, tiene tres veces más permeabilidad al oxígeno y al CO₂ que el PET.

La tendencia a la reducción en peso de los envases (lo que en inglés se ha denominado como la tendencia al "lightweighting"), conlleva a una reducción del espesor de las botellas. Si se reduce el espesor, también se reduce la capacidad de barrera, y por lo tanto es aún más importante contar con tratamientos adicionales que permitan mejorar la barrera, mientras que se mantiene la reducción en el peso del envase.

En envases de PET la tecnología de incremento de barrera a través de plasma se ha usado por años. En el Instituto de Procesamiento de Polímeros de la Universidad RWTH (IKV), localizado en Aachen, Alemania, se desarrolló en la década de los ochenta una tecnología que hace uso de microondas para generar plasma y recubrir PET. A través de una licencia de esta tecnología, la empresa Sidel ofrece un sistema de recubrimiento con plasma que permite procesar 10.000 botellas de 0,6 L en una hora. En Europa estas botellas se encuentran en cualquier supermercado. Una gran ventaja del proceso es que es económico y ecológico. Por ejemplo, no afecta el reciclaje del PET. En el caso del PLA, no afecta tampoco su degradabilidad.

La lucha contra la permeación
En aplicaciones de empaques es necesario mejorar la durabilidad del bien empacado y protegerlo de medios que lo puedan degradar. Particularmente, es importante que el plástico de empaque sea resistente a la permeación de oxígeno y CO₂. Típicamente, se requiere que la pérdida de CO₂ sea inferior a 17,5% en bebidas carbonatadas o de 10% en cerveza. La permeabilidad de bienes alimenticios al oxígeno, por su parte, se cuenta en partes por millón.

Existen diferentes alternativas para reducir la permeación en materiales plásticos. En general, hay dos tipos de barrera: La barrera activa y la barrera pasiva. En la barrera pasiva lo que se hace es tomar el material y modificar sus propiedades intrínsecas, por ejemplo la orientación de las moléculas poliméricas o su cristalinidad. También pueden añadírsele al plástico aditivos o sustancias que mejoren su capacidad de barrera, lo que se conoce como barrera activa.

En la barrera pasiva existe una variante más, y está en incrementar el número de capas en el material polimérico, para impedir la difusión de gas. Puede tratarse de un sistema multicapa, de un recubrimiento con laca, o de un recubrimiento por vacío, como es el caso del plasma. La Figura 1 resume los métodos que existen para incrementar la barrera en materiales plásticos.

Fundamentos del recubrimiento con plasma
Existe un método llamado deposición química de vapor (Chemical Vapour Deposition, CVD), que permite mejorar las propiedades de barrera de los plásticos a través de la conformación de una capa de barrera en la superficie. La sustancia que se deposita en el interior de los envases se logra a través de una reacción química en una fase gaseosa.

Para activar el movimiento de los electrones que deben participar en la reacción química, este método requiere que la pieza a recubrir se encuentre a alta temperatura y, por tanto, no es apropiado para materiales plásticos. Existe sin embargo una variante en la que la energía de activación de los electrones se logra a través de ondas electromagnéticas. Estas ondas pueden venir de corrientes directas (DC), radiofrecuencia (RF) o microondas. Lo que sucede en este caso es que las ondas inducen movimiento exclusivamente en los electrones, mientras que los protones y neutrones permanecen estables, por lo que es posible llevar a cabo procesos de recubrimiento con plasma a temperatura ambiente. La energía estimula la reactividad de los electrones, iones y radicales presentes en la fase gaseosa, que se ha "incendiado" para convertirse en plasma.

El uso de microondas es lo más común, ya que permite altas tasas de deposición en el material. El plasma induce una polimerización en la que, a diferencia de procesos de polimerización comunes, ocurre el entrecruzamiento de monómeros sin grupos terminales funcionales o con enlaces que todavía no han sido saturados. Es posible seleccionar el material a depositar (o más específicamente, los monómeros que se depositan), y de esta forma inducir la unión de grupos orgánicos al polímero, que pueden modificar su funcionalidad.

Usualmente se usan como sustancias de recubrimiento acetileno, que sirve para producir las que se conocen como "recubrimientos tipo diamante", o hexa-metil-disiloxano, que permite hacer recubrimientos vítreos. El tamaño del recubrimiento puede controlarse a través de los parámetros de proceso, y gracias a que se crean redes tridimensionales entre los grupos reactivos y el polímero base, se logran desempeños de barrera satisfactorios con recubrimientos de apenas 0,1 micrómetros.

Es importante tener en cuenta que, para depositar un recubrimiento con plasma en botellas de PP y PLA, es necesario hacer un pre-tratamiento de las botellas con plasma, que puede hacerse bien en serie, antes del recubrimiento, o posteriormente. Este pre-tratamiento también se hace con un plasma, que en el caso de PLA está basado en oxígeno y en el caso del PP, en nitrógeno.

En la Figura 2 se muestra un esquema simplificado del montaje que se utiliza para generar el recubrimiento de plasma. Este montaje, desarrollado en el IKV, consta de cuatro partes principales: La cámara de proceso, la bomba de vacío, la fuente de microondas y el dosificador de gas de proceso. Los gases para hacer el recubrimiento se introducen a través de un tubo de teflón (PTFE), después de que con vacío se ha evacuado el gas dentro y fuera de la botella. Las microondas provienen de generadores adecuados. Las microondas tienen un carácter pulsante, y a través del control de estos pulsos pueden inducirse modificaciones en la estructura química del recubrimiento. Además, a través de esta generación de microondas con pulsos es posible lograr que se acumulen menos desperdicios de proceso en la botella.

La investigación es promisoria
En una investigación en el IKV, un grupo de ingenieros y físicos ha estado trabajando para determinar qué posibilidades reales existen para mejorar la barrera en el PP y el PLA. En una investigación se tomaron tres botellas similares, una de cada tipo de material, como se muestra en la Figura 3. El gas que se ha utilizado en los experimentos es HMDSO (hexa-metil-disiloxano), combinado con oxígeno y acetileno puro.

En los resultados se encontró que, a través de combinaciones apropiadas de potencia, composición del gas empleado y cantidad de gas, es posible mejorar hasta en 8,8 veces la barrera del PLA al CO₂, y hasta en 3,8 veces su barrera al oxígeno. En cuanto al PP, la barrera al oxígeno puede incrementarse 12 veces. Estos resultados muestran que los valores de permeación de PP y PLA se encuentran en el rango de los de una botella de PET sin recubrir, lo que puede hacerlos interesantes para nuevas aplicaciones en el área de empaques.

Es posible pensar en hacer recubrimientos en el interior y exterior de la botella, con lo que podrían mejorarse las propiedades. Los científicos trabajan actualmente en la investigación de combinaciones de gases que permitan reducir aún más los valores de permeación.

Este artículo es un resumen del reporte presentado por el grupo de investigación de plasma del Instituto de Procesamiento de Polímeros, IKV, de la Universidad de Aachen, Alemania, en el Vigésimo Tercer Coloquio Internacional del Plástico del IKV, que tuvo lugar en Aachen, Alemania, en Marzo de 2010.